SDR的架构及相关术语
外差和超外差
无线电发射机有两种主要架构——一种是从基带频率直接调制到射频频率(称为外差),而第二种超外差是通过两个调制阶段来实现这种转换:第一个是从基带到中频(IF),第二个是从中频到射频(RF)。
采样率的影响
SDR中数字处理元件可以实现的采样率,特别是无线电的ADC和DAC的采样率,决定了无线电的实现方式——特别是哪些部分可以实现数字,哪些部分需要模拟电路。这是因为数字处理只能在满足奈奎斯特准则的情况下使用,换句话说,当采样率大于信号中存在的最大频率分量的两倍时,根据用于传输信号的射频频带,有可能实现所有调制和解调的数字化,具体而言,如果满足下面条件:$$f_s>2f_{rf_{max}}$$,其中$f_s$是ADC和DAC的采样率,frfmax是RF调制信号中存在的最大频率。如果满足上述条件,那么所有的模拟信号处理都可以在数字域中完成,从而实现所谓的直接射频(Direct-RF)或几乎全数字(Almost-All-Digital)无线电架构。
如果不能满足上式的条件,另一种选择是在数字域中实现基带和中频(IF)之间的调制和解调阶段,而IF和RF之间的转换则通过模拟电路来处理。在这种情况下,ADC位于IF频段,所需的采样率可能从几十MHz到几百MHz不等。现在,可以继续考虑三种不同的无线电架构,它们是基于DAC和ADC的位置而产生的。
直接RF(几乎全数字)SDR
通过这些不同的无线电架构,我们可以看到,随着ADC和DAC技术的进步,特别是采样率的提高,越来越多的频带可以实现几乎全数字的无线电。这种几乎全数字的无线电需要非常少的模拟处理——主要包括天线、前端滤波器和放大器。从SDR的角度来看,几乎所有功能都通过数字实现是非常重要的,这意味着无线电的操作可以通过软件来控制。
中频采样SDR
对于射频(RF)频率高于可用的DAC和ADC采样率的情况,可以使用超外差变频架构,基带与中频(IF)之间的调制/解调在无线电的数字部分完成,而IF与RF之间的转换则使用模拟电路处理。即便如此,通常仍然可以通过软件对模拟混频阶段施加控制。当ADC位于IF频率时,所需的采样率可能从几十兆赫兹(MHz)到几百兆赫兹(MHz)不等。
基带采样SDR
另一类SDR,具有基带处理速率的ADC,所有调制和解调都在模拟域中执行,无论是使用单级还是两级。从历史上看,这种方法在DAC和ADC技术(特别是可实现的采样率)的限制下被使用,因为这是A/D接口唯一可行的位置。这种“基带采样”架构也可能被用在低成本、低数据速率的设备中,以最小化对数字处理器的要求,或者在应用中采用最先进的多GSPS数据转换器,用于发射和接收极宽频带的信号。
数字化实施的优势
ADC使用的采样率越高,可以进行数字处理的量就越大。
使用数字实现进行调制和解调有几个优点,包括更高的操作精度,减少组件公差的影响和更强的抗老化效应,更小的物理尺寸和简化的物料清单,功耗也可能更低。
在SDR的背景下也有额外的好处,特别是由于软件控制无线电操作的范围增加,以及由此带来的灵活性。在使用FPGA或Soc的情况下,还可以提供硬件处理的可重编程性,从而实现更基础的升级和功能变化。
关键无线电术语和参数
射频RF带宽
RF带宽这个术语描述了无线电收发器能够产生或捕获的频率范围。在SDR(以及一般数字无线电)的背景下,这与ADC和DAC采样率有关。
RF带宽是ADC和DAC使用的采样频率的一半。这假设使用的是单个ADC和DAC,代表的是实信号(与复信号相对)。如果使用复输入/输出,则RF带宽可以翻倍至完整的采样频率,但这需要一对ADC和DAC。
信号带宽
当提到无线电信号时,带宽是指在传输信号中存在的频率范围。
当使用SDR时,信号的带宽是实现设计的一个特征(可以在软件中定义)。例如,设计的发射机可能产生带宽为10kHz或100MHz的信号,具体取决于其配置。一般来说,更大带宽的信号可以以更快的速率传输数据。
最大信号带宽受限于SDR的射频带宽,这是实现SDR所使用的物理硬件设备的属性。
调谐范围
术语调谐范围是指当使用中频采样或基带采样架构时,射频带宽可以移动的频率范围,其中部分或全部调制/解调在模拟域中进行。适用的调谐范围取决于模拟电路,因此,通常包含调谐阶段的SDR的数据手册将指定较低和较高的调谐频率。对于Direct-RF架构,由于调制和解调完全在数字域中进行,所以不涉及模拟调谐。